Общепринятой практикой для определения сроков безопасной эксплуатации полимерных композитов является их климатическая стойкость. Она основана на экспериментальных исследованиях влияния агрессивных климатических факторов на физико-механические свойства материалов, используемых в различных климатических зонах. В данной статье представлены результаты исследований климатических испытаний (старения) в условиях экстремально холодного климата образцов стекло-углепластиков. Для оценки влияния климатических и биогенных факторов на полимерные композиты использовались методы микроструктурного анализа, динамического механического анализа (ДМА) и исследования упругопрочностных характеристик. Образцы подвергались двухлетнему климатическому экспонированию с провокационным внесением микроорганизмов для изучения изменений их свойств и структурных особенностей. Установлено, что образование микробных колоний, выделение ими продуктов метаболизма разрушают полимерную матрицу, что приводит к снижению предела прочности при растяжении у стеклопластика (СП) на 57 %, у углепластика (УП) на 8 %. Полученные результаты подтверждены исследованиями методами ДМА, профилометрии и измерения открытой пористости. Данные, полученные при изучении поверхностной деструкции, пористости и ДМА, свидетельствуют о старении материала, начинающемся с поверхностного слоя. Это проявляется в увеличении пористости, изменении степени полимеризации полимерной матрицы слоистых пластиков, а также в значительном снижении упруго-прочностных характеристик при провокационном внесении микроорганизмов. Выявленные изменения подтверждаются снижением динамического модуля упругости и повышением температуры стеклования. Полученные результаты о влиянии биогенных микроорганизмов на процессы старения полимерных композитов при одновременном воздействии УФ- излучения и низких температур могут быть применены для решения вопросов по снижению старения полимеров.
В работе приведены результаты сравнительных исследований физико-механических свойств сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и модифицированных полимерных композиционных материалов (ПКМ) после стендовых натурных испытаний на климатическом полигоне в г. Якутск, проведенных в марте и в октябре. Исследования физико-механических показателей экспонированных образцов проводились через 30, 105, 135, 180, 270 и 365 дней. Выявлено, что старение образцов СВМПЭ приходятся на летние месяцы, независимо от сезона выставления. Рассмотрены изменения физико-химической структуры методом ИК-спектроскопии. Установлена интенсификация процессов фотохимической деструкции СВМПЭ в присутствии углеродных волокон. Проведены расчеты температур поверхности образцов при облучении солнечной радиацией в условиях натурной экспозиции в г. Якутск, используя линейную регрессионную модель для оценки температуры поверхности материалов с покрытиями разного цвета.
Получены новые данные о влиянии климатических факторов Якутии на изменение деформационно-прочностных свойств СВМПЭ. Установлены механизмы воздействия факторов окружающей среды: температуры, солнечной радиации, сезона экспонирования на процессы старения СВМПЭ и его композитов. Результаты получат развитие в полимерном материаловедении для решения вопросов по снижению старения полимеров. На основании проведенных работ композиционные материалы на основе СВМПЭ, предназначенные для работы под открытым воздухом в условиях Якутии, например футеровки, рекомендуется дополнительно модифицировать эффективными стабилизаторами с целью предотвращения процессов светового старения.
В условиях растущих требований к надежности и долговечности полимерных материалов, используемых в узлах трения и уплотнительных системах, актуальной задачей является разработка композитов с улучшенными триботехническими и механическими свойствами. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) широко применяется благодаря своим уникальным антифрикционным характеристикам, однако его низкая износостойкость ограничивает использование в экстремальных условиях. Модификация ПТФЭ наполнителями, такими как диоксид церия (CeO2), позволяет улучшить его эксплуатационные свойства. Цель исследования: изучение влияния механохимической активации оксида церия на свойства и структуру ПТФЭ для улучшения механических и триботехнических характеристик. В работе использовались методы переработки полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ. Механохимическая активация CeO2 проводилась в планетарной мельнице. Для анализа структуры и свойств применялись рентгеноструктурный анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, ИК-спектроскопия, а также механические и триботехнические испытания. Установлено, что введение 2 мас.% CeO2 в ПТФЭ повышает степень кристалличности и энтальпию плавления ПКМ при использовании механоактивированного наполнителя. Триботехническими испытаниями установлено повышение износостойкости ПКМ с механоактивированным CeO2 в 254 раза при сохранении коэффициента трения на уровне исходного полимера. Исследование поверхностей трения ПКМ методом ИК-спектроскопии выявило образование перфторкарбоксилатных солей в процессе изнашивания, что свидетельствует о протекании трибохимических процессов. Разработанные ПКМ на основе ПТФЭ с механоактивированным CeO2 демонстрируют улучшенные механические и триботехнические свойства, что делает их перспективными материалами для применения в узлах трения и уплотнительных системах.
При создании композиционных материалов одной из проблем является слабое адгезионное взаимодействие между матрицей и наполнителем, что резко снижает надежность и долговечность изделия. Для ее решения применяют химическую и физическую модификацию поверхности наполнителя, чтобы создать прочную связь на границе раздела фаз. В работе рассматривается взаимодействие модифицированных высокомодульных волокон и эластомерной матрицы. Исследовано влияние поверхностной обработки базальтовых (БТ) и углеродных (УТ) тканей на свойства эластомерных композитов на основе бутадиенового каучука. Изучалось два метода поверхностной обработки: раствором резиновой смеси в толуоле (РС) и адгезивом Хемосил 411. Микроструктурный анализ выявил, что необработанные образцы расслаиваются на границе контакта БТ с УТ из-за плохой адгезии между тканями, тогда как обработанные образцы характеризуются высокой адгезией между армирующими волокнами. Зарегистрировано формирование плотного контакта БТ и УТ с эластомерной матрицей за счет диффузии макромолекул каучука, происходящей в процессе вулканизации. Упругопрочностные испытания свидетельствуют о том, что комбинированное армирование БТ совместно с УТ повышает прочность композитов в 4,9 раза по сравнению с исходным эластомером в связи с распределением нагрузки на волокна. Нанесение на поверхность армирующих тканей РС обеспечивает наибольшую прочность, а обработка Хемосилом – высокую устойчивость в среде гидравлического масла. Адгезионные испытания подтвердили, что Хемосил сохраняет прочность сцепления между БТ и УТ после воздействия углеводородной среды благодаря защитному барьерному эффекту каркаса из адгезива. При длительном термическом воздействии происходит снижение адгезионной прочности всех образцов вследствие деструкции полимерной матрицы и клеевого слоя, а также увеличивается их твердость за счет образования дополнительных связей между макромолекулами каучука из-за довулканизации. Полученные результаты доказывают, что предварительная обработка базальтовых и углеродных волокон адгезивами эффективна при создании композитов на основе эластомерной матрицы и высокомодульных волокон.
Армированные полимерные композиционные материалы (ПКМ), содержащие различные виды волокон, широко применяются во многих отраслях промышленности. ПКМ имеют известные преимущества перед традиционными материалами, но практика показывает, что под длительным воздействием экстремальных климатических условий происходит их старение с ухудшением упругопрочностных характеристик. Одним из основных требований при конструировании изделий из ПКМ для условий холодного климата является низкий уровень влагопоглощения, что напрямую связано с пористостью материала. В данной работе исследовано формирование пористости при старении базальтопластиковых материалов (БП) плоской формы в экстремальных условиях Севера, оценены предельные значения пористости. Для выявления предельных значений пористости учитывается слоистая структура БП с плоскопараллельной симметрией. Формирование пористости при климатической деградации материалов происходит, начиная с внешней наружной поверхности БП. Для описания закономерностей порообразования разработана статистическая модель формирования открытой пористости БП плоской формы. Распределение пористости слоев рассматривается как двумерная кластерная структура на квадратной решетке, далее выявляются совпадающие элементы двумерных кластеров пористости нескольких (двух, трех и более) плоских слоев БП. Результаты проведенных оценочных и статистических расчетов сравнивались с экспериментальными данными, которые были получены в результате изучения открытой пористости многослойных панелей БП. Эти панели подвергались открытому экспонированию в природно-климатических условиях г. Якутск. Разработанная статистическая модель формирования пористости многослойных базальтопластиковых композиционных материалов может быть использована при конструировании ПКМ для эксплуатации в климатических условиях Арктики и Субарктики.